模擬硬件有什么價值？撬動未來十年的中美半導體角力

中國半導體行業(yè)在集體過冬，美國也未必沒有緊迫感。

美國半導體行業(yè)協(xié)會（SIA）和半導體研究公司（SRC）就聯(lián)合發(fā)布了一份題為“半導體十年計劃”的報告，希望美國政府能在未來十年拿出每年 34 億美元的投資，來資助五個半導體領域的“未來之星”，以維持美國半導體的地位。

這五大足以影響芯片技術未來的重大變化領域（seismic shifts）包括：模擬硬件的根本性突破、全新的內存存儲、持續(xù)可用的通信基礎設施、萬物互聯(lián)的安全隱私保護、智能計算加持的高效能源。

AI、5G、云計算等浪潮的席卷下，普通讀者或多或少了解后面幾個技術的重要性所在，而跟公認十分重要的 GPU/NPU 等芯片相比，模擬芯片市場就曾被彭博社評為“長期停滯的水”，就連該領域“頭把交椅”、有著 80 多年歷史的德州儀器，大眾認知度也遠不及谷歌、Facebook、亞馬遜這樣的科技廠商。

而模擬硬件位列美國半導體十年計劃的排名 TOP1，其權重究竟為何如此之高呢？

變局中的模擬硬件，并不是一潭死水

要回答開篇提出的問題，先要回到模擬硬件到底是個什么東西。

其中，模擬硬件就是以模擬信號來傳輸?shù)?a target="_blank">電子設備。這些信號在時間和數(shù)值上是連續(xù)變化的，而不像數(shù)碼信號那樣由不連續(xù)的 0 和 1 組成。

后者需要工程師將物理世界抽象成二進制來展現(xiàn)，那么模擬硬件工程師更像是一個樂高設計師，需要將各種部件以合理的方式組成一個新世界。從數(shù)據(jù)來看，2020 年全球半導體工業(yè)最大的領域分別是邏輯、存儲器、模擬和微處理器。

如果要選一個最廣為人知的模擬硬件產(chǎn)品，那就是手機了。在各種智能硬件中，發(fā)揮作用的并不僅僅是發(fā)布會上大出風頭的 CPU/GPU，還需要一個個模擬芯片，來將各個傳感器接收到的信息轉化成電信號，進而讓數(shù)字芯片能夠感知并處理。

舉個例子，當我們躺下玩手機時，圖片也會跟著翻轉，背后就是重力傳感器和模擬芯片的聯(lián)合做功。

（2019 年全球芯片銷售種類占比率及其與去年相比變化）

換句話說，模擬芯片已經(jīng)成為物理世界與數(shù)字世界的橋梁，分布在我們生活中的各個角落。既然如此，為什么還會被稱為“一潭死水”呢？答案就來自于，以前模擬芯片只能為數(shù)字芯片的“搬運工”，走的是“模擬 - 數(shù)字”路線，更加具有技術含量的推理、判斷、決策都是由別人來完成的。

所以其價值改變，自然也需要路徑變化。而萬物智聯(lián)革命，給了模擬芯片以全新的機遇，換上了“感知 - 行動”的人設，直接自己就能通過傳感器部署感知環(huán)境，然后做出推理、進行行動。

舉個例子，如今大行其道的“智能酒店”，一進門玄關的燈就自動為你亮起，離開之后燈會自動熄滅，這種更加自然的交互方式，更加符合大眾對智能生活的期待，也是靠模擬傳感器來完成的。

不難預測，伴隨著智能時代的到來，無處不在的模擬硬件將迎來市場爆發(fā)。美國半導體行業(yè)押注在此，并不奇怪。

智能傳感，模擬硬件的新人設如何成立？

從“模擬 - 數(shù)字”轉變?yōu)椤案兄?- 行動”，模擬硬件的新人設想要成立，顯然沒那么簡單。

首先，當前的模擬電子技術，面對數(shù)據(jù)洪流已經(jīng)力有不逮。傳感器的普及導致人類生成模擬數(shù)據(jù)的能力比高效處理它的能力要高得多。《報告》中提到，計到 2032 年將有 45 萬億傳感器，每年將產(chǎn)生 100 萬 zettabytes(1027 字節(jié))的數(shù)據(jù)。目前從物理世界產(chǎn)生的估計總模擬信息相當于~1034 位 / 秒。而人類總感覺吞吐量在~1017 位 / 秒，相當于已經(jīng)超出了人類感知的范疇。而要將模擬到信息的壓縮比拉升到類似于人類大腦的 105:1，需要“革命性的技術”。

除此之外，越來越多的智能設備互聯(lián)互通與通信環(huán)境的高速變化，也給模擬硬件設計帶來了新的挑戰(zhàn)。一個模擬硬件往往需要集成中央處理單元(MCU)、雷達系統(tǒng)、壓力傳感器、無線連接等多個部件，來實現(xiàn)智能感知功能，而這些部件與部件之間、部件與外界之間可能存在的電磁干擾，都有可能影響傳感器的測量精度。而對于廣泛應用于工業(yè)、汽車、醫(yī)療的模擬硬件來說，可靠性簡直就是生命線，一點馬虎都不能有，這也是為什么模擬市場的競爭格局一直是強者恒強。

而且和數(shù)字芯片不同的是，模擬芯片對工程師的綜合實戰(zhàn)能力要求也很高，往往需要 5-10 年才能培養(yǎng)出一個頂級人才，這也導致了“遠水解不了近渴”。

最后需要提到的，也是《報告》中強調的模擬硬件的設計開發(fā)，也不像數(shù)字芯片一樣可以借助一些自動化工具來完成，面對未來可能出現(xiàn)的軟件爆炸式增長的問題，必須在開發(fā)流程上有十倍甚至更大的生產(chǎn)力升級，才能滿足智能社會的需要。

（半導體企業(yè)在各年份中研發(fā)和資本投入占比）

而這樣的開發(fā)流程顯然是個“吞金獸”。頭部模擬芯片企業(yè)每年的研發(fā)費用在營收中占比都要超過 10%，即使在市場需求不足甚至國際經(jīng)濟形勢動蕩的背景下，依然需要持續(xù)投入來保持技術優(yōu)勢。2001 年半導體市場銷售額急劇下降，但研發(fā)和資本設備的支出并沒有以同樣的速度下降。

所以，美國半導體行業(yè)才又祭出了這熟悉的一招——游說政府打錢。開口就是 340 億美元的總預算，老資本主義了。

撬動未來十年的中美半導體角力

讀到這里，大家或許會有點緊張：在這個頭部企業(yè)幾乎全是美國面孔的模擬市場，會因為美國政府不斷加碼投入而拉開差距嗎？

說“吾輩當自強”自然是一句正確的廢話，努力是必須的，但同時也應該看到，受疫情和內部民眾情緒影響，美國再像上世紀一樣舉國之力扶持半導體行業(yè)的發(fā)展，所面臨的阻力并不會小，這就給其他同行業(yè)者留出了機會窗口期。

此外值得注意的是，德州儀器、ADI 這樣的模擬巨頭，也是借助美國高速發(fā)展時期國防、工業(yè)等領域的巨大需求以及政府訂單而成長起來的。而如今，中國中國是目前全球最大的電子產(chǎn)品消費市場，在傳感器智能化領域所積累的先進算法與解決方案也不斷進步，比如通過傳感器融合將數(shù)據(jù)上傳到云端，借助雷達監(jiān)測來自動調整產(chǎn)業(yè)園區(qū)的燈光、空調，或是借助壓力傳感器監(jiān)測惡意入侵、電梯故障并實時報警等等，這些都已經(jīng)在中國的智慧項目中有著大刀闊斧的應用。

今天看來，模擬硬件、智能傳感看起來并不那么炫酷，往往隱于幕后，但或許美國半導體十年計劃也是一個絕佳的提醒，讓我們狂奔在智能產(chǎn)業(yè)加速的路上時，時刻記得從大處著眼，小處著手，將每一個可能翻盤的機會都牢牢握在自己手中。

編輯：hfy